水庫調(diào)蓄對水環(huán)境變化的影響

孫冬冬

（臨沂市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，山東 臨沂 276000）

0 引言

水資源對生產(chǎn)生活尤為重要，對位于水資源短缺的地區(qū)來說，人均水資源占有量匱乏，水需求量的持續(xù)增長，導(dǎo)致水資源矛盾日益突顯。隨著人口數(shù)量集聚增加、城市化進(jìn)程速度加快，導(dǎo)致地下水嚴(yán)重超采，地下水補(bǔ)給與排泄嚴(yán)重失衡，進(jìn)而引發(fā)地面沉降、地下水漏斗面積不斷擴(kuò)大、地下水污染等一系列問題[1]。

地下水在供水體系中扮演著重要角色。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，某地區(qū)1999 年至今，水源地的地下水埋深快速下降導(dǎo)致的地下水資源累計虧損約18 億m2。持續(xù)下降的地下水水位使水資源的保障能力減弱，水源地開采井近乎達(dá)到開采的極限。南水北調(diào)工程的水庫調(diào)蓄工程啟動有效地緩解了該地區(qū)水資源危機(jī)和供需矛盾，為水源區(qū)的地下水涵養(yǎng)和穩(wěn)定開采創(chuàng)造了新的機(jī)遇[2]。南水北調(diào)水庫調(diào)蓄后，將自然下滲補(bǔ)給地下水，引起補(bǔ)水河道局部區(qū)域的地下水水位抬升。為此，本研究在調(diào)研補(bǔ)水前潮白河河道兩側(cè)的地下水環(huán)境現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，制定河水與地下水環(huán)境監(jiān)測評價方案，開展地下水環(huán)境評價；并建立地下水滲流模型及溶質(zhì)運(yùn)移模型，進(jìn)行研究區(qū)地下水水位回升對水質(zhì)影響程度的分析，保障潮白河河道周邊的水源地水質(zhì)安全，為水庫調(diào)蓄及后續(xù)統(tǒng)一調(diào)度提供參考。

本次研究選取某平原區(qū)作為研究區(qū)域。研究區(qū)內(nèi)水系錯綜復(fù)雜，以潮白河為主要河道。由于地表徑流長期持續(xù)減少和常年地下水開采量的增加，導(dǎo)致潮白河斷流，因此河谷地貌改變較大，河槽內(nèi)堆放大量的砂石料，河道多處留有廢棄的砂石坑，地勢不平，與兩側(cè)堤頂最大高差達(dá)30 m。根據(jù)多年的降雨數(shù)據(jù)資料，區(qū)內(nèi)6～10月為汛期，占年降水總量的85%，在7，8月份為暴雨集中期。

本區(qū)地下水的溶解性總固體濃度為402～545 mg/L，pH 值為7.66～8.15，硬度在192～329 mg/L 之間，西豐樂、南法信一帶的錳離子含量為0.329～1.260 mg/L。在順義向陽閘以南承壓水地區(qū)，埋深50 m以內(nèi)的淺層地下水中氨氮濃度超標(biāo)較為嚴(yán)重。研究區(qū)第四系厚度大約在50～300 m，其沉積物廣布于溝谷和平原地區(qū)，沿潮白河水流方向，第四系厚度逐漸增大，巖性由粗顆粒到細(xì)顆粒，層次由單一到復(fù)雜多層。

1 水庫調(diào)蓄后水環(huán)境變化

1.1 調(diào)水沿線水質(zhì)變化情況

調(diào)水沿線河水水環(huán)境監(jiān)測方案：根據(jù)南水北調(diào)補(bǔ)給潮白河的輸水線路，結(jié)合周邊的水利設(shè)施和水環(huán)境狀況進(jìn)行檢測。根據(jù)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，繪制了河道沿程電導(dǎo)率、溶解氧、pH 值分布圖（見圖1～圖3）。從圖1～圖3 可以看出，調(diào)水沿線水體中的電導(dǎo)率數(shù)值比較低，各采樣點(diǎn)的電導(dǎo)率在220～294 μS/cm范圍之間，并且比較穩(wěn)定，說明水體中導(dǎo)電離子含量相對較少。離子濃度較低，水體的純凈度較高，間接反映了水質(zhì)較為優(yōu)良。各監(jiān)測斷面水體中溶解氧濃度均在3.9～7.0 mg/L 之間，只有2019 年8月的牛欄山橡膠壩處溶解氧達(dá)到了9.03 mg/L，屬于Ⅲ～Ⅳ類水體。各監(jiān)測斷面的pH值在6.70～9.30范圍內(nèi)，偏堿性。

圖1 調(diào)水沿程電導(dǎo)率分布

圖2 調(diào)水沿程溶解氧濃度分布

圖3 調(diào)水沿程pH值分布

未遭受污染的天然水中的宏量無機(jī)組分主要包括Cl-，SO42-，CO32-，HCO3-等4 種陰離子；K+，Na+，Mg2+，Ca2+等4 種陽離子，統(tǒng)稱八大離子。這些離子的含量能夠體現(xiàn)水體的化學(xué)性質(zhì)，水質(zhì)優(yōu)良的天然水體中。一般而言，Ca2+，Mg2+的含量高于Na+和K+的含量，HCO3-的含量高于Cl-和SO42-的含量。

1.2 補(bǔ)水區(qū)地下水水質(zhì)變化及評價

根據(jù)潮白河受水河道周邊地下水背景水質(zhì)和補(bǔ)水過程中及停止補(bǔ)水后的地下水水質(zhì)變化，分析評價南水北調(diào)水源入滲對地下水水質(zhì)的影響。

1.2.1 南水北調(diào)河道補(bǔ)水前后地下水水質(zhì)差異分析

根據(jù)南水北調(diào)水源補(bǔ)水前潮白河河道周邊的地下水水質(zhì)檢測結(jié)果，水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)之間表現(xiàn)出了顯著的差異：潮白河河道周邊地下水中的鈣離子、重碳酸鹽、氯化物、總硬度、溶解性總固體等顯著高于南水北調(diào)水源，而pH 值和高錳酸鹽指數(shù)顯著低于南水北調(diào)水源，其余指標(biāo)差異性不大。二者常規(guī)指標(biāo)采用每升水中的各離子含量（mg），以南水北調(diào)前牛欄山橡膠壩及其附近W3監(jiān)測井離子濃度做對比（見表1）。

表1 南水北調(diào)水源與補(bǔ)水前地下水常規(guī)指標(biāo)濃度對比mg/L

5 6 7 8 91 0 11 12重碳酸鹽氯化物硫酸鹽溶解性總固體總硬度pH值氨氮高錳酸鹽指數(shù)95.60 17.60 39.60 197.00 103.60 8.70 0.11 3.80 246.00 30.80 36.50 387.00 271.00 7.78 0.02 0.35

1.2.2 河道補(bǔ)水前后地下水水質(zhì)對比

在河道補(bǔ)水前后，對河道周邊的地下水環(huán)境監(jiān)測井的水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測。在2018年受水前、受水初期和受水后的主要水質(zhì)指標(biāo)濃度見表2～表4。從表2～表4可以看出，地下水水位的抬升，也將包氣帶中的可溶組分帶入地下水中，致使南水入滲初期，地下水中的溶解性總固體濃度升高。但補(bǔ)水后，NO2-N 濃度大幅降低并達(dá)標(biāo)，表明河水回補(bǔ)顯著改善了地下水中的硬度和NO2-N 濃度。這可能與南水北調(diào)水源的稀釋作用及其高濃度的溶解氧對NO2-N的硝化作用有密切關(guān)系。

表2 2018年河道補(bǔ)水前地下水水質(zhì)狀況

表4 2018年河道補(bǔ)水完成后地下水水質(zhì)狀況

在2018 年停止補(bǔ)水1 個月后，與補(bǔ)水初期相比，地下水中的溶解性總固體濃度大幅降低，并低于補(bǔ)水前背景值，電導(dǎo)率也普遍降低。地下水中的總硬度普遍降低，參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T14848-93），單因子指標(biāo)按照從優(yōu)不從劣的原則，2018 年第一次補(bǔ)水結(jié)束后，溶解性總固體除W5 為Ⅲ類外，其余監(jiān)測井均為Ⅱ類，NO3-N為Ⅰ～Ⅲ類，NO2-N 為Ⅰ類，NH3-N 除4#井為Ⅲ類外，其余監(jiān)測井為Ⅰ類，pH值為Ⅰ類。

總之，南水北調(diào)水源河道入滲對地下水水質(zhì)的改善比較顯著。在補(bǔ)水初期，包氣帶中的可溶組分一次性淋溶進(jìn)入地下水中，隨著補(bǔ)水持續(xù)，地下水水質(zhì)濃度總體呈降低的變化特征，地下水水質(zhì)優(yōu)良。

表3 2018年河道補(bǔ)水初期地下水水質(zhì)狀況

2 溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測

2.1 預(yù)測方案

在水量模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行溶質(zhì)運(yùn)移模型模擬預(yù)測。預(yù)測時間為2021—2030 年。為了比較準(zhǔn)確地預(yù)測地下水氯離子濃度場的遷移情況，以初始濃度場為背景，在水量模型的預(yù)測方案基礎(chǔ)上，預(yù)測10年后該區(qū)域氯離子的變化情況，為地下水的安全保障提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 預(yù)測結(jié)果

2019年前后，利用模型預(yù)測的潮白河河道牛欄山橡膠壩上游左岸W3監(jiān)測井位置的地下水氯離子溶度變化情況見圖4。

圖4 2019年前后W3監(jiān)測井氯離子濃度歷時變化曲線

由圖4 可知，在南水北調(diào)調(diào)水初期，W3 監(jiān)測井的氯離子濃度有緩慢減少的趨勢，對地下水水質(zhì)有所改善，隨著調(diào)水量的持續(xù)增加，氯離子濃度迅速下降，持續(xù)回補(bǔ)對氯離子的稀釋作用較明顯。由預(yù)測結(jié)果可知，南水北調(diào)水質(zhì)優(yōu)良，長期調(diào)水回灌使得水源八廠附近氯離子濃度降低，密云再生水廠附近的氯離子濃度緩慢上升，懷柔再生水廠附近地下水氯離子濃度變化有明顯減小的趨勢，順義再生水受水河道地下水氯離子濃度受南水北調(diào)水源影響較小，濃度變化起伏不大，受水河道附近的氯離子濃度保持穩(wěn)定良好的水環(huán)境狀態(tài)。

3 結(jié)語

南水北調(diào)水源河道入滲對地下水水質(zhì)的改善比較顯著。在南水北調(diào)水源調(diào)水沿程上，水質(zhì)總體優(yōu)良。水溫、溶解氧、pH 值等指標(biāo)在地表水體正常范圍之內(nèi)。總氮在地表水Ⅲ類和Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)之間變動，總硬度、全鹽量以及八大離子含量較低。區(qū)域地下水均衡扭虧為盈，地下水水位抬升20 m 左右。受水河道附近的監(jiān)測井氯離子濃度有明顯的減小趨勢。隨著補(bǔ)水的進(jìn)行及停止補(bǔ)水后，地下水中各組分濃度呈先降低后緩慢升高的變化趨勢，逐漸接近補(bǔ)水前的水質(zhì)濃度，地下水中的pH 值略呈升高趨勢，體現(xiàn)了南水對地下水的稀釋作用占主導(dǎo)地位。潮白河河道補(bǔ)水后，生態(tài)效果有所改善。